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Gasturbincnaggregat
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Als vor etwa fünfundzwanzig Jahren die Entwicklung stationärer Gasturbinen
für die Erzeugung von elektrischer Energie einsetzte, war es damals wegen der niedrigen
zulässigen Turbineneintrittstemperaturen von ca. 650 OC zur Erreichung eines noch
einigermaßen akzeptablen Wirkungsgrades notwendig, die Gasturbinensätze mit Zwischenüberhitzung
(Zwischenverbrennung nach Teilexpansion) zu konzipieren.
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Diese damaligen (,asturbinens.itze waren entweder Zweiwellenspitze,
die mit unterschiedlichen Drehzahlen liefen, wobei die HD-Turbine den Verdichter
und die ND-Turbine den elektrischen Generator antrieben. Oder aber es waren viergehäusige
Einwellensätze mit elektrischem Generator, bei denen ND-Verdichter, HD-Verdichter,
HD-Turbine und ND-Turbine je in einem eigenen Gehäuse angeordnet waren.
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In späteren Jahren konnten durch die Verfügbarkeit höherwertiger
Schaufel legierungen die Turbineneintrittstemperaturen gesteigert und dadurch etwas
bessere Wirkungsgrade erreicht werden.
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Die Entwicklung ging nun in Richtung möglichst billiger Gasturbinen
und man kam zu eingehäusigen Konstruktionen, die auf einer Welle einen Verdichter
und eine Turbine enthielten und die ohne Zwischenüberhitzung arbeiteten. Besonders
in den USA, wo es damals extrem billige Brennstoffe gab, wurde dieses Konzept forciert,
später wurde es aber auch von den meisten europäischen Gasturbinenhcrstellern übernommen.
Dabei verzichtete man bewußt auf die Erreichung hoher Wirkungsgrade, um den Forderungen
nach einfachem konstruktiven Aufbaus, einfacher Betriebsweise und vor allem nach
niedrigem Lieferpreis zu genügen.
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So gibt es derzeit eingehäusige Gasturbinensätze bis ca.
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120 MW elektrischer Leistung, mit Turbineneintrittstemperaturen bis
etwa 11000, jedoch ohne Zwischenüberhitzung. Große Gasturbinen mit Zwischenüberhitzung
sind für die Elektrizitätserzeugung gegenwSrtig nicht vorhanden.
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Nun sind in der Zwischenzeit die Brennstoffe zufolge zweier Energiekrisen
in ihren Preisen um ein Mehrfaches angestiegen, so daß heute auch Gasturbinen mit
den höchsten erreichbaren Wirkungsgraden eingesetzt werden sollten. Auch die Entlastung
der Umwelt von Schadstoffen und Abhitze fordert diesen sparsamen Typus von Gasturbinen.
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Diesen Forderungen kann aber derzeit nicht entsprocllen werden, weil
die Entwicklungen großer Gasturbinen mit Zwischenüberhitzung - die eine wesentliche
Senkung des derzeitigen spezifischen Brennstoffverbrauches erreichen ließen - einen
Zeitraum von 5 bis 10 Jahren benötigen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, unter
Benützung der vorhandenen eingehäusigen Gasturbinen und unter Vornahme einer Reihe
noch zumutbarer Anderunyen an denselben ein Gasturbinenaggregat höchstmöglichen
Wirkungsgrades (d.h.
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mit Zwischenüberhitzung) kurzfristig - etwa in einem Zeitraum von
etwa 2 bis 3 Jahren - zu realisieren.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Gasturbinenaggregat mit Zwischenüberhitzung
vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es aus einer eingehäusigen ,
einen axialen ND-Verdichter und eine axiale ND-Turbine enthaltenden ND-Gasturbine
mit wenigstens einer ND-Brennkammer, einer eingehäusigen, einen HD-Verdichter und
eine HD-Turbine enthaltende HD-Gasturlrine mit wenigstens einer HD-Brennkammer,
einem elektrischen Generator, sowie gegebenenfalls aus einem Zwischengetriebe besteht,
die miteinander mechanisch gekuppelt sind. Dabei werden während des Betriebes in
an sich bekannter Weise der ND-Verdichter, der HD-Verdichter, die HD-Brennkammer(n),
die HD-Turhine, die ND-Brennkammer(n) und die ND-Turbine nacheinander vom Arbeitsmedium
(Verbrennungsluft, Heißgas) durchströmt.
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Dieses, aus zwei vorhandenen - wenn auch etwas modifizierten - eingehäusigen
Gasturbinen bestehende Aggregat ermöglicht einen Betrieb mit Zwischenüberhitzung
und damit eine beachtliche Steigerung der Wirkungsgrade bzw. eine beachtliche Senkung
des spezifischen Brennstoffverbrauches.
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Dabei erfolgt der Einsatz dieses Gasturbinenaggregates vorzugsweise
in kombinierten Gasturhinen-Dampfturbinenanlagen (Kombi-Anlagen), die sehr hohe
Wirkungsgrade erreichen.
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Ein weiterer, wesentlicher Vorteil des vorgeschlagenen Gasturbinenaggregates
besteht darin, daß seine ohere Grenzleistung etwa 200 MWe betragen würde. (Verglichen
mit den bereits genannten 120 MWe derzeitiger Grenzleistungs-Gasturbinen).
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Gegenüber einer Gasturbinenanlage, die aus zwei mechanisch voneinander
getrennten und nur durch den Strom des Arbeitsmediums verknüpften einwelligen Gasturbinen
mit zwei elektrischen Generatoren besteht, hat das vorgeschlagene Aggregat den Vorteil,
daß es durch die mechanische Kupplung seiner Komponenten wesentlich leichter an-
und abgefahren werden kann, daß es weniger störanfällig ist, und daß es nur einen
elektrischen Generator mit zugehörigen Schaltern und Schutz- und Regeleinrichtungen
aufweist Um die Kupplungen und Wellen der beiden Gasturbinen ungeändert übernehmen
zu können und um das Schwingungsverhalten des Gesamtaggregates zu verbessern, ist
der elektrische Generator zwischen der ND-Gasturbine und dem Zwischengetriebe der
HD-Gasturbine angeordnet.
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Besitzt das Gasturhinenaggregat kein Zwischengetriebe, so ist der
elektrische Generator zwischen der ND-Gasturbine und der HD-Gasturbine angeordnet.
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Vom Mittelbereich des ND-Turbinengehäuses oder von der ND-Brennkammer
bzw. den ND-Brennkammern oder deren Gehäuseanschlußstutzen zweigt bzw. zweigen eine
oder mehrere MD-Verbrennungsluftleitungen ab und führt bzw. führen zur stirnseitigen
Eintrittsöffnung des HD-Turbinengehäuses. Hierzu sind die erforderlichen konstruktiven
bzw. baulichen änderungen am ND-Turbinengehäuse, an der ND-Brennkammer bzw. den
ND-Brennkammern und deren Verbindungsstutzen vorzunehmen.
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Um die Zugänglichkeit des Gasturbinenaggregates zu erhalten, sind
Teilstücke dieser MD-Verbrennungsluftleitung(en) unter den Bedienungsflur desselben
angeordnet.
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Weiters zweigt bzw. zweigen von der stirnseitigen Austrittsöffnung
des HD-Turbinengehäuses eine oder mehrere MD-Eleißgasleitungen ab und führt bzw.
führen zur ND-Brennkammer bzw. zu den Brennkammern.
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Auch für die Anschlüsse dieser MD-lleißgasleitungen an der ND-Brennkammer
bzw. an den ND-Brennkammern sind an derselben bzw.
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an denselben die erforderlichen Änderungen vorzunehmen.
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Um an den MD-eißgasleitungen keine Wärmedehnungen zu bekommen, sind
deren Stahlwände in an sich bekannter Weise an ihren Innenflächen isoliert.
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Zur Kühlung der ND-Brennkammer(n) sind deren Mantelbereiche während
des Betriebes von einem Teilstrom der aus dem HD-Verdichter austretenden Verbrennungsluft
durchströmt, der von einem Druckerhöhungsgebläse in Zirkulation gehalten wird. Dabei
wird diese HD-seitige Kühlluft der ND-Brennkammer(n) während des Betriebes zur HD-Gasturbine
bzw. zu deren HD-Brennkammer(n) rückgeleitet.
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Das bzw. die Druckerhöhungsgebläse ist bzw. sind zweckmäßig auf dem
Zwischengetriebe angeordnet.
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Da die abgegebene Leistung der HD-Gasturbine etwas kleiner ist als
jene der ND-Gasturbine und da bei kleineren Gasturbinenaggregaten die Drehzahl der
HD-Gasturbine auch über 3000 U/min liegt, ist das Zwischengetriebe zwischen dem
elektrischen Generator und der HD-Gasturbine angeordnet.
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Falls es die ursprünglichen Drehrichtungen der HD- und ND-Gasturbine
erfordern, ist das Zwischengetriebe als Wendegetriebe ausgebildet, dessen Eintrittswelle
und Austrittswelle gegenläufige Drehrichtungen aufweisen. (Im Gasturbinenaggregat
drehen dann HD-Gasturbine und ND-Gasturbine gegenlaufig).
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Bei nicht zu großen Leistungen des Gasturbinenaggregates kann das
Zwischengetriebe auch ein stetig veränderbares Obersetzungsverhältnis aufweisen.
(Solche Getriebe sind in letzter Zeit entwickelt und für Kesselspeisepumpen vorgeschlagen
worden).
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Durch ein solches Zwischengetriebe mit stetig veränderbarem Übersetzungsverhältnis
ist im oberen Teillastbetrieb eine verlustärmere Regelung möglich.
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In Sonderfällen kann das Zwischengetriebe auch als Verzweigungsgetriebe
ausgebildet und an ihm eine zweite Gasturbine oder ein Verbraucheraggregat (z.B.
ein Kompressor) angekuppelt sein.
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Um die Leistungsabgabe je spezifischer Luftdurchsatzmenge zu erhöhen,
erreicht oder übersteigt das Verhältnis des Luftdrukkes am HD-Verdichteraustritt
zum Ansaugdruck der Verbrennungsluft am ND-Verdichtereintritt den Wert 20. (Der
tatsächliche Wert wird bei 40 - 50 liegen).
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Zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrades kann dem Gasturbinenaggregat
abgasseitig zur Verwertung seiner Abwärme in an sich bekannter Weise ein befeuerter
oder nicht befeuerter Dampfkessel nachgeschaltet werden.
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Dabei ermöglicht es die hohe Abgastemperatur von über 800 OC auch,
für die Zustände des nachgeschalteten Dampfprozesses sehr hohe Werte zu wählen (z.B.
250 bar Frischdampfdruck, 540 OC Frischdampftemperatur, 540 0C Zwischenüberhitzung).
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Mit einer solchen Kombinationsanlage sind dann bei Erdgasfeuerung
und Turbineneintrittstemperaturen von 1100 OC bis 1200 OC Gesamtwirkungsgrade von
über 50 Prozent erreichbar.
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(Vergleichsweise liegt der Wirkungsgrad einer heutigen konventionellen
Dampfkraftanlage bei etwa 40 Prozent. Praktisch bedeutet dies - bei gleichem Brennstoffverbrauch
- eine Erhöhung der Elektrizitätserzeugung um ein Viertel!).
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Der HD-Verdichter ist überdies für eine Verdichtungsendtemperatur
von ca. 600 OC auszulegen, was die Wahl höherwertigen Schaufelmaterials erfordert.
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In den Zeichnungen sind ein Gasturbinenaggregat mit Zwischenüberhitzung
und zwei Temperatur-Entrogie-Diagramme dargestellt.
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Es zeigt: Figur 1 das Gasturbinenaggregat mit Zwischenüberhitzung
in einer schematischen Aufrißdarstellung.
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Figur 2 ein idealisiertes Temperatur-Entropie-Diagramm einer Gasturbine
ohne Zwischenüberhitzung.
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Figur 3 ein idealisiertes Temperatur-Entropie-Diagramm eines Gasturbinenaggregates
mit Zwischenüberhitzung gemäß Figur 1.
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Das in Figur 1 in einem schematischen Aufriß dargestellten Gasturbinenaggregat
mit Zwischenüberhitzung besteht aus der ND-Gasturbine 1, der HD-Gasturbine 2, dem
elektrischen Generator 3 und dem Zwischengetriebe 4, die mechanisch aneinander gekuppelt
sind.
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Dabei enthält das Gehäuse der ND-Gasturbine 1 den ND-Verdichter la
und die ND-Turbine 1b und an ihm ist die ND-Brennkammer lc all«eordllet. Vor der
Ausgangsöffnung des Gehäuses der ND-Gasturbine 1 ist der Luftfilter 1d angebracht.
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Das Gehäuse der HD-Gasturbine 2 enthält den HD-Verdichter 2a und
die HD-Turbine 2b und an ihm ist die HD-Brennkammer 2c angeordnet.
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Der elektrische Generator 3 befindet sich zwischen der ND-Gasturbine
1 und dem Zwischengetriebe 4, an dessen anderen Seite die D-Gasturhine 2 aufgestellt
ist.
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Besitzt das Gasturbinenaggreyat kein Zwischengetriebe 4, so wird
der elektrische Generator 3 zwecksmäßig zwischen der ND-Gasturbine 1 und der HD-Gasturbine
2 angeordnet. Dadurch können die Kupplungen der beiden Gasturbinen 1 und 2 beibehalten
werden.
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Vom Mittelbereich des Gehäuses der ND-Gasturbine 1 bzw. von der ND-Brennkammer
lc oder deren Gehäuseanschlußstutzen zweigt die MD-Verbrennungsluftleitung 5 ab,
die zur stirnseitigen Fintrittsöffnung des Gehäuses der HD-Gasturhine 2 führt. Teilstücke
der MD-Verbrennungsluftleitung 5 sind unter dem Bedienungsflur des Gasturbinenaggregats
angeordnet.
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Von der stirnseitigen Austrittsöffnung des Gehäuses der HD-Gasturbine
2 zweigt eine MD-Heißgasleitung 6 ab, die zur ND-Brennkammer lc führt und die während
des Betriebes von Rauchgasen mit über 800 OC Temperatur durchströmt ist. Um übermdßige
Wärmedehnungen zu vermeiden, sind die Stahlwand der MD-eißgasleitung 6 in an sich
bekannter Weise an ihren Innenflächen isoliert.
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Während des Betriebes strömt das Arbeitsmedium vom Luftfilter ld
über ND-Verdichter la, MD-Verbrennungsluftleitung 5, HD-Verdichter 2a, HD-Brennkammer
2c, FfD-Turbine 2b, MD-Heißgasleitung 6, ND-Brennkammer lc und ND-Turbine 1b zum
Abhitze-Dampfkessel 7 (letzterer kann auch befeuert sein) Zur Kühlung der ND-Brennkammer
lc werden während des Betriebes Mantel bereiche derselben von einem Teilstrom der
aus dem HD-Verdichter 2a austretenden Verbrennungsluft durchströmt. Dieser Teilstrom
wird von einem Druckerhöungsgebläse 8 über Verbindungsleitungen 8a und 8b gefördert
und nach dem Kühlen der ND-Brennkammer lc in die HD-Gasturbine 2 bzw. zu deren HD-Brennkammer
2c zurückgeleitet.
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Das Druckerhöhungsgebläse 8 ist auf dem Zwischengetriebe 4 aufgestellt.
Dem Druckerhöhungsgebläse 8 kann auch ein Kühler 8c vorgeschaltet sein, der zweckmäßig
vom Speisewasser des Dampfkessels 7 als wärmeaufnehmendem Medium beauschlagt ist.
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Erforderlichenfalls ist das Zwischengetriebe 4 als Wendegetrieb ausgebildet.
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Das Zwischengetriebe 4 kann auch ein stetig veränderbares Übersetzungsverhältnis
aufweisen und während des Betriebes zur Teillastregelung eingesetzt werden.
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In Ausnahmefallen kann das Zwischengetriebe 4 auch als Verzweigungsgetriebe
ausgebildet und an ihm zwei D-Gasturbinen oder eine MD-Gasturhine und ein anderes
Aggregat (z.B. ein Strömungskompressor) angekuppelt sein.
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Während des Betriebes beträgt bei Nennlast das Verhältnis des Luftdruckes
am D-Verdichteraustritt zum Ansaugedruck der Verbrennungsluft am HD-Verdichtereintritt
etwa 40 bis 50. (Dieser hohe HD-seitige Verdichtungsenddruck hat z.B. bei Verfeuerung
von marginalem Erdgas aus den Randbereichen von Erdölgebieten den Vorteil, daß die
Verbrennung dieses Erdgases trotz seines meist hohen Stickstoffanteiles - bis zu
60 % - noch einwandfrei erfolgen kann.) In Figur 2 ist das idealisierte Temperatur-Entropie-Diagramm
einer Gasturbine ohne Zwischenüberhitzung und in Figur 3 das idealisirte Temperatur-Entropie-Diagramm
eines Gasturbinenaggregates mit Zwischenüberhitzung dargestellt.
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Da in beiden Diagrammen die umrandeten Flächen die (theoretisch)
gewonnene mechanische Energie darstellen, ist ohne weiteres ersichtlich, daß im
zweiten Diagramm die je Kilogramm durchgesetzten Arbeitsmediums gewonnene Arbeit
erheblich größer ist als im ersten Falle.
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Da im Diagramm Figur 3 auch die mittlere Temperatur tm2 der äußeren
Wärmezufuhr höher liegt als der analoge Wert tml im Diagramm Figur 2, ist auch ersichtlich,
daß der Wirkungsgrad im thermodynamischen Prozeß nach Figur 3 größer ist als im
Prozeß nach Figur 2.
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(Die mittleren Temperaturen der äußeren Wrmeabfuhren tmA sind in
beiden Fällen gleich groß).
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Gegebenenfalls können die ND-Gasturbine 1 und die HD-Gasturbine 2
- wenn erforderlich mit Zwischengetriebe 4 - auch an einer Seite des elektrischen
Generators 3 angeordnet sein.
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Das hier vorgeschlagene Gasturbinenaggregat, das u.a. aus einer existierenden
ND-Gasturbine und einer existierenden HD-Gasturbine besteht, erfordert zu seiner
Realisierung an der - großen - ND-Gasturbine nur ein relativ geringes Maß an Anderungen,
während an der - kleineren - HD-Gasturbine weitreichende bauliche Modifikationen
erforderlich sind.
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Wenn das Gasturbinenaggregat nicht zu einer Kombianlage gehört sondern
als unabhängige Einheit arbeiten soll, ist es mit einem Zwischenkühler und einen
Rekuperator auszurüsten um einen ausreichend hohen Wirkungsgrad zu erreichen.